Traitement des eaux

Inventaire exhaustif de toutes les filières de traitements impossible du fait de la diversité :

- des ressources en eau et donc de leur qualité initiale,
- des applications utilisant de l’eau

Ressources en eau : Applications :

Eaux de surface
Production d’eau potable

Eaux souterraines
Épuration d’eaux usées

(urbaines et industrielles)

Eaux de mer

Production d’eaux industrielles

Il est donc nécessaire pour concevoir une filière de connaître :

- La quantité et la qualité de l’eau à traiter
- La qualité de l’eau requise en fonction de l’application

Législation Paramètres de pollution

 Paramètres de pollution (1)
Les paramètres qui permettent de quantifier le niveau de pollution d’une ressource dépendent
bien évidemment de sa nature et de son origine.
De plus, pour chaque application (ERU, ERI, EI, AEP), il existe une législation précise portant
sur de nombreux paramètres et qui fixe les valeurs limites à ne pas dépasser.

La connaissance préliminaire de ce niveau de pollution et des objectifs de traitement à atteindre

dicteront le choix des opérations unitaires à mettre en place pour obtenir une efficacité de
traitement suffisante pour répondre aux exigences des normes.

Vu la diversité des ressources et des utilisations, on ne peut faire une liste globale et complète
des paramètres à analyser.
Par contre, on distingue :
- des paramètres globaux, indicateurs de pollution au sens large,
- des paramètres spécifiques, mettant en évidence une pollution ciblée.
 Paramètres de pollution (2)
Pour les eaux destinées à la potabilisation :
- paramètres organo-leptiques (couleur, turbidité, odeur, saveur)
- paramètres physico-chimiques (Temp°, pH, ions…)
- substances indésirables (Nitrates, Ammonium, fer , manganèse, cuivre…)
- substances toxiques (Arsenic, Cyanure, Plomb, Pesticides, SP de désinfection…)
- paramètres microbiologiques (coliformes totaux, Streptocoques…)

Pour les eaux résiduaires :

- Matières en suspension (MES)
- Demande chimique en oxygène (DCO)
- Demande Biologique en Oxygène (DBO)
- Azote
- Phosphore
+ Germes, métaux lourds, détergents, graisses….
en fonction de l’origine de l’eau et de sa destination

Pour les eaux industrielles :

A traiter au cas par cas vu l’hétérogénéité des besoins.
 législation
De très nombreux textes concernant le traitement des eaux :
- sur les ressources
- sur les eaux potables
- sur les eaux industrielles
- sur les eaux usées…

A consulter sur les sites du type : www.legifrance.fr

www.environnement.gouv.fr

En matière d’eau destinée à la consommation humaine, la législation française a mis

en application la législation européenne : décret n°2001-1220 , en application de la
directive européenne 98/83/CE du 3 novembre 1998.

La nouvelle législation considère deux catégories en terme de concentration

maximale admise pour les polluants ou micro polluants :

• l’annexe I-1 présente les « limites de qualité », qui sont des concentrations
maximales admises, et qui sont donc des critères de qualité à respecter,

• l’annexe I-2 présente les « références de qualité » qui sont des « valeurs
indicatives établies à des fins de suivi des installations de production et de
distribution d’eau et d’évaluation de risques pour la santé des personnes ».
 Annexe I.1 : limites de qualité
E. Coli 0 / 100 mL
Entérocoques 0 / 100 mL
Acrylamide 0,10 µg/L
Antimoine 5,0 µg/L
Arsenic 10 µg/L
Baryum 0,7 mg/L
Benzène 1,0 µg/L
Benzopyrène 0,010 µg/L
Bore 1,0 mg/L
Bromates 10 µg/L (2)
Cadmium 5,0 µg/L
Chrome 50 µg/L
Chlorure de vinyle 0,5 µg/L
Cuivre 2,0 mg/L
Cyanures totaux 50 µg/L
1,2 dichloroéthane 3,0 µg/L
Epichlorhydrine 0,10 µg/L
Fluorures 1,5 mg/L
Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques 0,1 µg/L
Mercure total 1,0 µg/L
Microcystine-LR 1,0 µg/L
Nickel 20 µg/L
Nitrates 50 mg/L (3)
Nitriles 0,50 mg/L (3)
Pesticides 0,10 µg/L (4)
Total pesticides 0,50 µg/L (4)
Plomb 10 µg/L (5)
Sélénium 10 µg/L
Tri et Tétrachloro-ethylène 10 µg/L
THM 100 µg/L (6)
Turbidité 1 NFU (7)
 Annexe I.2 : Références de qualité

Aluminium 200 µg/L (1)

Ammonium 0,1 mg/L
Bactéries coliformes 0 / 100 mL
Chlore libre et total Absence d’odeur ou de saveur désagréable
Cuivre 1 mg/L
Chlorites 0,2 mg/L
Chlorures 250 mg/L
Bactéries sulfato-réductrices 0 / 100 mL
Couleur 15 mg/L Pt/Co
Conductivité 180 < < 1000µS/cm
pH 6,5 < < 9
COT 2 mg/L
Equilibre calco-carbonique Les eaux ne doivent pas être agressives
Fer total 200 µg/L
Manganèse 50 µg/L
Oxydabilité au KMNO4 5 mg/L O2
Odeur Acceptable pour le consommateur
Saveur Acceptable pour le consommateur
Sodium 200 mg/L
Sulfates 250 mg/L
Température 25 °C
Turbidité 0,5 NFU (7)
(1) Ammonium : la limite est fixée à 0,1 mg/l et à 0,5 mg/l pour les eaux souterraines, s’il est
prouvé que l’ammonium est d’origine naturelle.
(2) Bromates : la limite est fixée à 10 µg/l. Cependant, jusqu’au 25/12/08, elle est fixée à 25 µg/l.
(3) Nitrates et nitrites : pour les nitrates, la limite est fixée à 50 mg/l ; pour les nitrites, elle est fixée à 0,5
mg/l. La restriction suivante est apportée : en sortie des installations, la concentration en nitrites doit
être inférieure à 0,1 mg/l.
(4) Pesticides : dans le décret, font partie de la famille des pesticides : les « insecticides
organiques, herbicides organiques, fongicides organiques, nématocides organiques, acaricides
organiques, algicides organiques, rodenticides organiques, anti-moisissures organiques, produits
apparentés (régulateurs de croissance) et leurs métabolites, produits de dégradation et de réaction
pertinents ». Pour chaque pesticide isolé, la limite fixée est de 0,1 µg/l, sauf pour l’aldrine, la
dieldrine, l’heptachlore et l’heptachloroépoxyde pour lesquels la limite est fixée à 0,03 µg/l. En outre,
il existe une limite « total pesticides » fixée à 0,5 µg/l pour « la somme de tous les pesticides détectés et
quantifiés dans le cadre de la procédure de contrôle ».
(5) Plomb : la limite est fixée à 10 µg/l. Cependant, jusqu’au 25/12/13, cette limite est fixée à 25 µg/l.
Remarque : le décret interdit désormais l’utilisation des conduites en plomb (article 25).
(6) THM (TriHaloMéthanes) : dans le décret, sont compris : le chloroforme, le bromoforme, le
dibromochlorométhane et le bromodichlorométhane. La limite est fixée à 100 µg/l. Cependant, jusqu’au
25/12/08, elle est fixée à 150 µg/l. En outre, « la valeur la plus faible possible inférieure à ces valeurs doit
être visée, sans pour autant compromettre la désinfection ».
(7) Turbidité : la limite de qualité est fixée à 1 NFU, mais « en cas de mise en oeuvre d’un traitement de
neutralisation ou de reminéralisation, la limite de qualité s’applique hors augmentation éventuelle de
turbidité due au traitement ». De plus, jusqu’au 25/12/08, cette limite est fixée à 2 NFU, et ce, pour les
conditions suivantes : au point de mise en distribution et pour des installations dont le débit est inférieur à
1000m3/j ou qui desservent moins de 5000 habitants. En outre, il existe aussi une « référence de qualité »
fixée à 0,5 NFU.
 Filières de traitement

Les filières de traitement sont des combinaisons d’opérations unitaires dont l’agencement
est étroitement lié à la qualité de la ressource et à l’objectif de traitement.

Ces filières de traitements sont destinées à agir sur :

- les matières particulaires
- les matières colloïdales
- les substances dissoutes
- les micro-organismes

Même si chaque opération unitaire vise un objectif précis, elle modifie un grand nombre
de paramètres de qualité qui influencent par conséquent les opération unitaires en aval.
Il faudra donc toujours raisonner en terme de filière pour optimiser un traitement et
prendre en considération l’interdépendance des opérations unitaires.
 Spectre de taille des substances dans les eaux naturelles

Matières en suspension

Colloïdes

Algues Composés dissous

Bactéries Virus

10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 m
1 mm 1µm 1 nm
Les différents procédés de traitement selon la nature et la forme de la pollution
Produits Produits Matières en
solubles colloïdaux suspension

Neutralisation Oxydo-réduction Coagulation Dégrillage Dessablage

Pollution
minérale Précipitation Échange d’ions Floculation Décantation Flottation

Membranes Stripping Membranes Filtration Membranes

Oxydation Coagulation Déshuilage Dégrillage

Dégraissage Tamisage
Adsorption sur CA Floculation
Décantation Flottation
Membranes
Membranes Filtration

Pollution Traitements biologiques aérobies

organique Clarification
• cultures bactériennes en suspension • Décantation
Boues activées • Flottation
Lagunage
• cultures bactériennes fixées
Lits bactériens
Bio filtres

Traitements biologiques anaérobies

 Filières de traitements des eaux résiduaires
Traitements primaires Traitements secondaires
Prétraitements
Chimiques Physiques M.O.D. M.E.S.

Dégrillage Neutralisation Stripping Boues activées Décantation

Tamisage Précipitation Décantation Lagunage
Homogénéisation Coagulation Flottation Lits bactériens
Stockage Floculation Membranes Biofiltres
Dessablage Oxydo-réduction Filtration Méthanisation
Déshuilage
Dégraissage

Élimination de l’azote Stabilisation Incinération Vers milieu récepteur

Déphosphatation Épaississement Valorisation Épandage

Adsorption sur CA Déshydratation Décharge Évaporation

Échange d’ions Conditionnement Incinération

Désinfection Rejet en mer

Traitements Traitements Elimination Elimination

tertiaires des boues des boues des liquides
Filières de traitements des eaux industrielles avant utilisation
Eau de Utilisation
surface

Dégrillage Coagulation Membranes (UF) Membranes (NF, OI)

Tamisage Floculation Oxydation Désinfection

Dessablage Décantation Adsorption CA Echange d’ions

Flottation
Décarbonatation Dégazage
Pré-oxydation
Neutralisation
Filtration
Filtration

Membranes (MF)

Eau
souterraine

Aération Déferrisation Démanganisation Dénitrification

 Filières de traitements pour la production d’eau potable
Eau
souterraine

Filtration Désinfection

Oxydation Filtration Désinfection

Coagulation Filtration Désinfection

Eau de
surface

Pré-oxydation Coagulation / Floculation Décantation ou Flottation Filtration

Désinfection Reminéralisation Adsorption CA Oxydation

: opérations facultatives

Les techniques membranaires peuvent être incluses dans la filière à différents niveaux
Principales opérations unitaires

Prétraitements

Coagulation – floculation

Adsorption sur charbon actif

Décantation

Filtration

Oxydation-Désinfection

Techniques membranaires

Traitements biologiques

Traitement des boues

Dégrilleur
Déshuilage / dessablage
 Coagulation - Floculation

Coagulation : déstabilisation des particules colloïdales et formation de

micromicelles constituées d’hydroxyde métallique et de colloïdes.

Floculation : rassemblement des micromicelles sous forme séparable de la

phase aqueuse.

La difficulté de séparation des colloïdes présents dans une eau provient du

fait que ces particules se trouvent dans l’eau à l’état de particules chargées
électriquement (toujours négativement dans les eaux naturelles).

La répulsion mutuelle exercée par ces particules les empêche de s’agglutiner

sous l’effet des forces d’attraction naturelle (appelées à cette échelle forces
de Van der Waals) et d’acquérir ainsi une dimension suffisante pour devenir
décantables ou filtrables.
Distribution ionique autour d’une particule colloïdale
- + - - + -
- + + + + -
- +
- + - + +
+ + - + + + -
+ + + - -
- + + - +
+ + -- - - -- + + +
-
+ - + -- -- -
+ +
+ -+ -- - +
- -
+ - + + +- -+ + - + +
+ - + + + -
- + -
- - + - -
+ + + +
+ - +
Potentiel Couche de Stern
électrique
Couche de
Gouy-Chapman
Potentiel de Nernst

Potentiel de Stern Plan de cisaillement

Potentiel zêta
Distance
 Forces mises en jeu
Quand deux particules de même charge entrent en contact, deux types
de forces s’exercent :
- des forces de répulsion FR (forces de coulomb)
- des forces d’attraction : FA (forces de Van der Waals)

Énergie
d’interaction

Si FT , la résultante est :

FR - positive : Répulsion > Attraction

Suspension stable, pas d’agglomération

d
- négative : Attraction > Répulsion
FT Suspension déstabilisée, Agrégation possible
FA
 Théorie de la coagulation
Le plus souvent, la coagulation consiste à ajouter à l’eau un électrolyte permettant
de neutraliser les charges négatives qui sont à l’origine du maintien en suspension
stable. On utilise généralement des sels d’un métal trivalent, Fe3+ ou Al3+ .

En d’autres termes l’introduction de ces composés entraîne une annulation (ou tout
du moins une diminution) du potentiel Zêta.

L’avantage de ces composés consiste dans le fait qu’ils sont aussi des agents qui
favorisent la floculation de par leur capacité à se complexer, s’hydrater et à
conduire à une grande diversité de polymères :
OH
Me(OH)x(3-x)+ avec 1 < x < 2,5

Me(H2O)6-x(OH)x(3-x)+ Al Al

OH

Les processus chimiques de la coagulation-floculation sont très complexes.

 Théorie de la floculation
2 phénomènes de floculation :

• floculation péricinétique :

due au mouvement brownien des particules

8kTN2
Probabilité de rencontre des particules : I =
3µ

• floculation orthocinétique :

due au mouvement de l’eau (induit par gradient de vitesse G)

Probabilité de rencontre des particules : J =

4Gd3N2
3

- La floculation péricinétique est importante lorsque les particules sont

petites (d faible, en début de coagulation), et que la température est
J µGd3
= élevée.
I 2kT - La floculation orthocinétique prend une importance d’autant plus grande
que les particules grossissent et que G augmente.
 Principaux réactifs coagulants
Sulfate d’alumine (ou, mieux, d’aluminium) : Al2(SO4)3,18H2O
- cristallisé (poudre, grains, noisettes, pains, etc.), qualité en France : 17-18 % Al2O3
- solution à 600 ou 720 g · L–1 environ de sulfate d’alumine cristallisé

Chlorure ferrique : FeCl3

- cristallisé (FeCl3 ou FeCl3 6H2O)
- solution à 600 g · L–1 de FeCl3 environ

WAC, Aqualenc, PCBA (liquides) ou PACI (poudre) : ce sont diverses formes de

polychlorure basique d’aluminium

Principaux réactifs Floculants

il s’agit essentiellement de la silice activée, sous forme de polymère anionique linéaire, de
formule générale :

O-

Si O

OH n
 Pratique de la coagulation-floculation

Plusieurs phases successives :

1. Ajout de réactif coagulant (réactions d’hydrolyse, d’ionisation, de polymérisation)

2. Agitation rapide pendant un temps court (10 secondes à quelques minutes)

Diffusion des réactifs

Réactions avec les colloïdes (déstabilisation)
Formation des précipités
Début de l’agglomération

1. Ajout de réactif floculant (si nécessaire)

2. Agitation rapide pour diffusion des réactifs (si nécessaire)

3. Agitation lente pendant un temps plus long (10 à 30 minutes)

Agglomération des flocs

Grossissement des flocs
 Méthode du Jar-test

Détermination du taux de traitement optimal

Détermination du pH optimal

Détermination des conditions d’agitation

Comparaison des réactifs (coagulants, floculants)

Ajout de doses croissantes de réactifs

 Taux de traitement usuels

Les doses de coagulant - floculant utilisées sont fonction de la qualité des eaux :

- le sulfate d'aluminium est utilisé en clarification d'eaux de surface à raison de 10 à 150

g.m-3 exprimés en produit commercial solide (Al2(SO4)3, 18 H2O).
Pour les eaux résiduaires urbaines, cette dose varie entre 50 et 300 g.m-3.

- le chlorure ferrique est utilisé à raison de 5 à 150 g.m-3 exprimés en produit commercial
solide (FeCl3, 6H2O) en clarification d'eaux de surface ;entre 50 et 300 g.m-3, pour le
traitement des eaux résiduaires urbaines.

- Les conditions optimales de précipitation sont :

hydrate d'alumine 5,8 ≥ pH ≥ 7,4
hydrate de fer pH ≥ 5,5

Il est donc inutile d'étudier l'incidence du pH en dehors de ces intervalles. Par ailleurs,
l'action de ces deux réactifs a pour effet d'acidifier le milieu, en particulier si celui-ci est peu
tamponné.
 Aspects Technologiques

Les valeurs de gradient de vitesse généralement employés sont d’environ :

- 100 à 1000 s-1 pour l’étape de coagulation
- 10 à 100 s-1 pour l’étape de floculation
Ces valeurs fluctuent en fonction des autres paramètres influençant l’efficacité de
coagulation-floculation comme le temps d’agitation, la concentration volumique en flocs, le
choix du réactif coagulant.
 Traitement au charbon actif

Dans les usines de traitement, le charbon actif est utilisé :

-soit sous forme de poudre (CAP), après la coagulation-floculation, mais avant la décantation
(diamètre de particules de 10 à 50 µm)
- soit sous forme de grains (CAG) au niveau de la filtration, en filtre bicouche avec du sable,
ou seul en deuxième étape de filtration (diamètre de particules de 0,5 à 3 mm)

Le charbon actif est principalement utilisé pour affiner l’élimination :

- des matières organiques dissoutes (réfractaires aux traitements préalables)
- des micro-polluants organiques à l’état de traces (pesticides, hydrocarbures…)
- de certains composés minéraux (métaux, sous-produits de désinfection…)

Le principe de l’élimination des substances indésirables est l’adsorption qui peut être :
-physique (physisorption) : interaction réversible de faible énergie
-chimique (chimisorption) : interaction irréversible de forte énergie

Le CAG a de plus un rôle de filtre, et au bout d’un certain temps de fonctionnement de

support à la dégradation par voie biologique.
Les phénomènes d’adsorption ayant lieu à la surface
du charbon, une grande surface d’échange et une
porosité importante constituent les caractéristiques
essentielles d’un adsorbant efficace

La fabrication du charbon actif est étroitement liée à son efficacité.

Le mode de fabrication physique repose sur trois étapes successives :
- le séchage de la matière première (bois, charbon de houille, noix de coco…)
- la carbonisation à 500 - 600°C pendant 5 à 6 heures
- l’activation à 800 - 1000°C pendant 24 à 72 heures

La fabrication chimique fait appel à un catalyseur qui permet de diminuer les température
de carbonisation et d’activation.
 Paramètres contrôlant l’adsorption
Pour le charbon actif :
Plus le CA aura une micro-porosité élevé, plus sa capacité d’échange sera élevée.
Ce paramètre apprécié par la surface spécifique : de 500 à 1500 m²/g.

Pour le composé à éliminer :

L’adsorption est d’autant plus importante que :
-sa masse molaire est élevée
- sa solubilité est faible
L’adsorption dépend également de la nature des groupements fonctionnels et de la géométrie

Les caractéristiques hydrodynamiques de l’échange ainsi que l vitesse relative des deux
phases jouent également un rôle prépondérant.

Les mécanismes mis en jeu sont très complexes (formation de liaisons covalentes, de liaisons
de Van der Waals) et aucune loi ne permet à l’heure actuelle de prévoir correctement les
affinités relatives des matériaux et des substances.

Recours à des tests expérimentaux

 Tests expérimentaux
Isotherme d’adsorption :

Elles permettent :
- de caractériser les phénomènes d’adsorption
- de réaliser la sélection d’un charbon en vue d’une application donnée

Réalisées en batch, elles sont de plus adaptées pour modéliser les application du CAP.
(le bassin de décantation dans lequel est injecté le CAP et où le temps de contact est
suffisamment long, peut être assimilé à un réacteur batch).

Dans ce cas, les isothermes d’adsorption permettent également de déterminer les taux de
traitement et le dimensionnement des ouvrages.

Courbes de percée :

Réalisées en colonnes, elles permettent de caractériser les applications du CAG, utilisé soit
dans des filtres, soit en colonnes fermées.
 Isothermes d’adsorption
C’est une courbe que représente, à l’équilibre et à une température donnée, la relation,existant
entre la quantité de composé adsorbée par unité de masse de charbon (qe) et la concentration
de composé en solution (Ce)

Expérimentalement, ces courbes sont obtenues

en introduisant des quantités connues de CA le
plus souvent en poudre) dans des volumes
connus d’eau à traiter, dans un réacteur batch de
type Jar test.

Au bout d’un certain temps de contact, on mesure la concentration résiduelle de composé

présent en solution.
La quantité de composé adsorbé est égale à : x = (C0-Ce).V en mg
Avec C0 , la concentration initiale en composé (mg/L)
Ce , la concentration finale en composé (mg/L)
V, le volume de solution (L)
L’isotherme d’adsorption représente la variation entre qe = x/m et Ce , m étant la masse de
charbon utilisée
 Isothermes de Freundlich

x m

1 n
qe

K
.
C
KF et n sont les constantes de Freundlich, évaluées
= =

e
expérimentalement pour chaque composé, chaque
charbon et chaque température.

L’isotherme de Freundlich est généralement employée sous forme linéarisée :

log (qe) = f (log (Ce)) est une droite dont la pente et
1
log (qe ) = log K F + log(Ce ) l’ordonnée à l’origine permettent de calculer les
n constantes de Freundlich.

log (qe)

En extrapolant cette équation pour une Log (qe) Co

concentration Ce = C0 on peut déterminer la
capacité d’échange ultime (ou maximale) du 1/n
charbon, notée (qe) Co
log KF
log (Ce)
log (C0)
 Courbes de percée
temps
N0
tP = (H − Z )
C0.U
tP : temps de percée (h)
Z C0 : concentration entrante (mg/L)
C/C0 U : charge superficielle (m//h)
1
N0 : capacité d’adsorption dynamique (mg/L)
H : Hauteur de charbon (m)
Z : zone d’adsorption (m)
temps
Zone saturée
Zone d’adsorption

tP
quand C0
tP est d’autant plus long (meilleure adsorption) que la vitesse de

tP  quand U0
filtration et la concentration sont faibles et que la hauteur de
tP
quand H
charbon est importante.

Dans la pratique, on peut estimer N0 à approximativement 90% de q0 et Z à quelques cm ,

Z étant fonction des phénomènes de diffusion et de dispersion)
 Le charbon actif en quelques chiffres

Fabricant Chemviron Norit Ceca

Paramètre Valeur
Noix de
Origine minérale Tourbe débit 50 - 400m3/h
coco

TE (mm) 0,60 0,79 0,53 Volume de lit 5 - 50m3

CU 1,9 1,24 1,93 Hauteur de lit 1,5 - 4 m

Densité
0,4 0,36 0,52 Porosité 0,38 - 0, 42
apparente
Frabilité Masse volumique 350 - 550 kg/m3
11,1 16,5 9
750 cps (%)
Frabilité EBCT 5 - 30 min
23,3 33 16
1500 cps (%)
Surface DU 80 - 600 j
1100 900 1050
spécifique (m²/g)
Caractéristiques typiques
Caractéristiques de quelques CAG des réacteurs à CAG
 Sédimentation / Décantation

Séparation des particules solides du liquide par décantation gravitaire

Paramètres essentiels :
taille et poids des particules
concentration en particules
viscosité du liquide

La difficulté dans le dimensionnement des ouvrages réside à trouver un

compromis entre la vitesse du fluide et la taille des décanteurs

v = h/t = h.S / S.t = Q /S

Les ouvrages sont le plus souvent circulaires à base conique, équipés de

systèmes de raclage des boues
Clarificateurs
Décanteur vide
Décantation lamellaire
 Filtration
Objectif

Utiliser une barrière physique pour éliminer des matières indésirables contenues dans l’eau.

Selon les caractéristiques granulométriques du matériau filtrant et la grosseur et la cohésion

des matières à éliminer, la filtration peut se faire :

- en profondeur (sur lit filtrant)

- en surface (sur support minces ou épais…)

Les techniques de filtration sont présentes à différents stades dans les filières de traitement
(potabilisation et d’épuration) des eaux.
la filtration est également utilisée dans d’autres applications comme le traitement des boues
(déshydratation par filtration sur support).

D’un point de vue théorique, on traite séparément la filtration de surface (avec formation d’un
gâteau à la surface du support) et la filtration en profondeur pour laquelle les solides sont
retenus dans le volume du lit filtrant.
 Place de la filtration dans les filières de traitement
Techniques membranaires (FS)
Microfiltration (MF) Ultrafiltration (UF) Nanofiltration (NF) Osmose inverse (OI)

Prétraitements (FS)
Dégrillage Clarification (FP)
Tamisage Filtration sur sable

Matières grossières Matières en suspension

Colloïdes

Algues Composés dissous

Bactéries Virus

10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 m
1 mm 1µm 1 nm
 Théorie de la filtration en profondeur
Notion de perte de charge

On considère une conduite de section S contenant un lit poreux de hauteur Z à travers lequel
coule un liquide de viscosité dynamique η, à un débit volumique Q.
U P1 Q
Soit U, la charge superficielle (vitesse en fût vide) : U =
∆H S
P2
La perte de charge dans le filtre vaut :
Z
∆P = P3 - P2 = P1 - P2 = - ρ.g. ∆H
P3 (due aux forces de frottement entre le liquide visqueux et le milieu poreux)

Loi de Darcy
B . ∆P
La perte de charge à travers le lit est proportionnelle à Z, U et η : U =
B est la perméabilité du milieu filtrant (généralement en m2) Z . η

Autre expression : ∆P = R.U.η

Z
Avec R (en m-1), la résistance du filtre : R =
B
 Aspects technologiques de la filtration en profondeur
La filtration en profondeur est communément utilisée pour traiter des larges volumes d’eau
contenant des particules de taille relativement faible.

Deux technologies principales :

Filtration lente :
- En général utilisée sans coagulation-floculation ni décantation préalable.
- La lenteur de la filtration assure la prolifération de micro-organismes et par
conséquent une action biologique.
- les pertes de charge sont généralement faibles, le suivi de l’installation simple.
- Procédé efficace pour les eaux peu chargées mais limité en terme d’affinage.
- occupation au sol importante, mise en œuvre lente.

Filtration rapide :
- procédé le plus utilisé car le plus efficace
- action biologique quasi nulle
- On distingue dans les procédés de filtration rapide :
- la filtration directe (sans traitement préalable)
- la filtration d’une eau coagulée
- la filtration d’une eau coagulée, décantée
 Structure des filtres

Arrivée eaux à filtrer

Goulottes de lavage
Récupérer l’effluent de lavage

Matériau filtrant
Monocouche, Multicouche

Gravier de support :
Retenir le milieu filtrant
Améliorer la distribution l’eau de lavage

Fond de filtre :
Collecter et évacuer l’eau filtrée
Distribuer l’eau de lavage

Buselures :
Permettre l’évacuation de l’eau filtrée
Sortie eaux filtrée
Permettre l’arrivée de l’eau de lavage
Arrivée eaux de lavage
 Choix des filtres et dimensionnement
Le choix du filtre et des différents paramètres de dimensionnement (choix du milieu poreux,
de l’épaisseur du filtre, du débit de filtration…) doivent être choisis en fonction :
- de la qualité et de la quantité de l’eau à filtré
- de l’objectif de traitement
- des contraintes dues à la filtration (perte de charge, colmatage…)
Perte de charge
dans le filtre
P’2 P2 P’’2
Perte de charge maximale admissible

Cas idéal : P2 , t2
Cas non idéaux : P’2 , t’2
P’’2 , t’’2
Temps
Turbidité t’2 t2 t’’2
eau filtrée
Niveau et durée du
Phase de plateau contrôlé par :
maturation •La décantation préalable
Limite de turbidité •La résistance des flocs
Début de crevaison •La charge superficielle
•L’épaisseur du lit
Temps •La nature du lit
t1
Courbes de pression dans un filtre monocouche

A A’ 1 : Courbe de pression statique

2 : Courbe de pression dans le sable propre
3 : Courbe de pression en cours d’encrassement
4 : Courbe de pression après crevaison

B B’ b

C C’ cf c2 c1 c0

4 3 2 1
D D’
df d2 d1 d0
E E’
ef
 Procédures de lavage
Les procédures de lavage sont mises en œuvre lorsque :
- les pertes de charge dépassent la perte de charge maximale
- la qualité de l’eau (turbidité en particulier) ne répond plus aux exigences.

Le lavage consiste à injecter de l’eau à contre courant pour mettre le lit en expansion
(fluidisation).
Le degré d’expansion du milieu dépend :
- la taille des grains
- la densité du matériau filtrant
- la vitesse et la température de l’eau de lavage

Pour faciliter le décrassage des grains il est souvent nécessaire d’accroître les
turbulences par insufflation d’air ou agitation de surface. Selon la nature du matériau
constituant le filtre (et en particulier sa densité), l’eau et l’air sont injectés simultanément
ou successivement.

Conséquence d’un lavage inefficace :

- Colmatage permanent du filtre
- Augmentation plus rapide des pertes de charge
- Risque de développement de micro-organismes
 La filtration en quelques chiffres

Dimensions des grains

Débits de filtration DE : 0,3 à 1 mm
Filtration lente : 0,1 à 2 m/h CU : de 1,2 à 1,8
Filtration rapide : 4 à 20 m/h ε : 0,4 à 0,6

Dimensions des filtres Procédure de lavage

Epaisseur du lit : 0,5 à 2 m Débit d’eau : 5 à 20 m/h
Hauteur d’eau : 0,5 à 1 m Débit d’air : 50 à 60 m/h
Perte de charge maxi : 2 à 2,5 m Durée des lavages : 5 à 10 minutes

Récupération de matière
Pour 1 m3 de matériau :
Environ 450 litres de vides
¼ du volume de vide utilisé
Teneur des flocs en matières sèches : 10 g/L

Récupération d’environ 1 kg/m3 de filtre

Si les flocs sont associés à des matières minérales
denses , on peut atteindre 6 kg/m3
Exemples de filtres

Phase de filtration

Phase de lavage
 Oxydation
Pré-oxydation

Potabilisation (eaux naturelles) Inter-oxydation

- Eaux de surface
- Eaux souterraine Post-oxydation
Oxydation
Oxydation (EI)
Epuration (eaux usées)
- Eaux industrielles (EI)
Désinfection (ERU)
- Eaux résiduaires urbaines (ERU)

Pré-oxydation Inter-oxydation Post-oxydation

Coagulation
Eau brute Floculation Filtration
Clarification
 Le chlore et les hypochlorites

Chimie du chlore

Cl2 + 2 H2O  HClO + Cl - + H3O+

ClO −  . H3O + 
   
HClO + H2O  ClO - + H3O+ Ka = 
 HClO 
 

-
100
% ClO = 100 − % HClO et % HClO =
Ka
% HClO 1+
H3O + 
100  

80
Définitions :
60
Chlore libre = Σ (Cl2 + HClO + ClO - )
40

20
Degré chlorométrique : 1°Cl = 3,17 g Cl 2 / L.

0
0 2 4 6 8 10 pH
 Dosage du chlore

Cl2 , HClO, ClO - résiduels

NH3 Cl2 combiné (chloramines)

Cl2 introduit Br -
HOBr, BrO -
MO

TOX, THM

Méthode iodométrique : (fortes concentrations)

Méthode DPD : (faibles concentrations)
-
1/2 Cl2 + I  1/2 I2 + C l -

DPD + 1/2 Cl2  DPD + + C l -

I2 + 2 S2O32-  2 I- + S4O62-
DPD+ : cation absorbant dans le visible
Indicateur coloré : thiodène ou amidon (510 ou 550 nm)
Pour la mesure du « Cl2 combiné », on introduit
du KI, oxydable par les chloramines.
L’I2 formé est mesuré par la même méthode.
Réactivité du chlore : (composés minéraux)

NH3 + H2O  NH4+ + OH - pKa = 9,3

Zone A : Zone de consommation
NH3 + HClO  NH2Cl + H2O
instantanée du chlore
NH2Cl + HClO  NHCl2 + H2O
Zone B : Zone de formation des chloramines
NHCl2 + HClO  NCl3 + H2O
Zone C : Zone de destruction des chloramines

Zone D : Zone d’apparition du chlore libre

2 NH3 + 3 HClO  N2 + 3HCl + 3H2O

2 NH3 + 3 Cl2  N2 + 6HCl

Chlore résiduel total (ppm)

Demande en chlore nulle

Chlore total

A B C D
Chlore libre

Chlore combiné

Chlore ajouté (ppm)

• 2 Fe 2+ + HClO + H+  2 Fe 3+ + Cl - + H2O 0,64 mg Cl2 / mg Fe2+

Fe(OH)3

• Mn 2+ + HClO + H2O  MnO2 + Cl - + 3 H+ 1,29 mg Cl2 / mg Mn2+

• H2S + Cl2  S + 2 HCl 2,08 mg Cl2 / mg H2S
H2S + 4 Cl2 + 4 H2O  H2SO4 + 8 HCl 8,35 mg Cl2 / mg H2S

• CN - + ClO -  CNO - + Cl - 2,73 mg Cl2 / mg CN -

• HClO + Br -  HBrO + Cl -
ClO - + Br -  BrO - + Cl -

Br - HOBr, BrO -
Cl2 introduit
NH3 /NH4+ Chloramines

Bromamines Bromochloramines
Réactivité du chlore : (composés organiques)
3 types de réaction de sur les composés organiques :
- substitution électrophile
- addition sur les liaisons insaturées
- oxydation sur les fonctions réductrices

•Faible action sur les composés aliphatiques oxygénés (R-OH, R-COOH, R-CHO

•Forte réactivité avec les composés aliphatiques azotés (amines, amino-sucres…)

•Forte réactivité avec les composés aromatiques

HClO Br - HBrO
 
ClO - BrO -

Bilan : Composés Composés

Minéraux Organiques

Produits Composés Produits

d’oxydation organohalogénés d’oxydation
(chloramines…) (TOX, THM…)
Réactivité du chlore : (micro-organismes)

L’élimination des micro-organismes pathogènes est le but de la désinfection.

L’efficacité d’une désinfection est décrite par la loi de CHICK :

Nt, N0 : nombre de micro-organismes à t et t = 0.

t : temps de contact avec l’oxydant.
Nt = e − k.t k = Λ.C n Λ: coefficient de létalité du micro-organismes.
N0
C : concentration en oxydant (supposée constante).
n : constante proche de 1.

• Conditions pratiques : (mg/L d’oxydant – temps de contact en min.)

Activité bactéricide Activité virulicide

Cl2 0,1 à 0,2 – 10 à 15 0,3 à 0,5 – 30 à 45

ClO2 0,1 à 0,2 – 5 à 10 0,3 à 0,5 – 30

O3 0,1 à 0,2 – 1 à 2 0,4 – 4

• Pour les espèces chlorées : HClO >> ClO - >> NHCl2

 L’ozone

Chimie de l’ozone
Très bon oxydant, pas du tout rémanent.

O3 dégazé
S : scavenger
M OH• : radical hydroxyde
O3 ajouté O3 M oxydé
M : molécule
OH- ou M•

OH•
S M

P M•

Actions possibles de l’ozone :

- agent électrophile
- agent nucléophile
- action indirecte par voie radicalaire

Favoriser la voie radicalaire est le principe des systèmes d’oxydation avancés

Mécanisme de décomposition dans l’eau :

O3 O3 + OH-  HO2 • + O2 • - k1
OH-
O3 + O2 • -  O3 • - + O2 k2
O2 1
O2 • - O3 • - + H+  HO3 • k3 , k-3
2

HO2 • HO3 •  OH• + O2 k4

O3 •-
O2
H+ 3
O3 O3 + OH•  HO4 • k5 , k-5
6

• HO4 • HO4 •  HO2 • + O2 k6

HO3

4 OH• 5

O2

Réactions de terminaison : HO4 • + HO4 •  H2O2 + 2 O3

HO4 • + HO3 •  H2O2 + O3 + O2
Réactivité de l’ozone : (composés minéraux)

• NH3 + 4 O3  NO3- + 4 O2 + H3O + : vitesse faible, NH4+ : non oxydable

• 2 Fe 2+ + O3 + 5 H2O  2 Fe(OH)3 + 4 H + + O2 0,43 mg O3 / mg Fe2+



• Mn 2+ + O3 + H2O  MnO2 + O2 + 2 H+ 0,87 mg O3 / mg Mn2+


• S 2- + 3 O3  SO32- + 3 O2
SO32- + O3  SO42- + O2

S 2- + 4 O3  SO42- + 4 O2 6 mg O3 / mg S 2-

• CN - + O3  CNO - + O2 1,8 mg O3 / mg CN –

2 CNO - + 3 O3 + H2O  2 HCO3- + N2 + 3 O2 : très lent

CNO - + OH - + H2O  CO32- + NH3

NO3- + H3O + + 4 O2
4 O3
 • O3 + Br -  BrO - + O2
O3 + BrO -  Br - + 2 O2
3 O3 + 2 BrO -  BrO3 - + 4 O2 + Br -
2 O3 + BrO -  BrO3 - + 2 O2
O3 BrO3-

Br - BrO -
CHBr3 : sous produits organohalogénés
MO
HOBr
O3
NH3 NHBr2 : Bromamines
Remarques :
• Les bromates sont très peu
réactifs vis à vis de l’ozone.
• La présence de Br - peut catalyse O3 BrO3-
la dégradation de NH3 par l’ozone. (1)
Br - HOBr BrO -
(1)
(2) O3
O3 (2)
Br-
(3)
(3)
M Mox
(2) (2)

CHBr3 CHBr3
Réactivité de l’ozone : (composés organiques)

Action de l’ozone moléculaire : réactions + lentes mais + spécifiques

Action par voie radicalaire : réactions + rapides mais - spécifiques

• Composés aliphatiques oxygénés :

vitesses de dégradation faible pour R-OH et R-CHO
stabilité vis à vis de O3 pour R-COOH et R-CO-R’
• Composés aliphatiques azotés :
réactivité importante pour amines et amino-acides
• Composés aromatiques :
réactivité forte mais faible diminution du COT

Globalement, l’action de l’ozone sur les composés organiques est une dégradation en
Composés plus oxygénés et de plus faible PM, ce qui les rend plus biodégradable.

D’ou l’utilisation en aval de filtres en CA.

Système O3 / H2O2

H2O2 + H2O  HO2- + H3O+

HO2- + O3  O2 + O2 • - + OH• rapide

H2O2 + O3  très lente

O2
O2 • - H2O2

HO2 • HO2-
O3 •-
O2 O3
H+ O3
O2
HO3 • HO4 •

OH•
O2
Système O3 / UV

UV
O3  O(1D ) + O2(1G )

O(1D ) + H2O  2 OH•  H2O2

H2O2
UV
O3 
HO2-
O2 UV

O2
O2 • -

•- HO2 •
O3
O2
H+ O3

HO3 • HO4 •

OH•
O2
Efficacité des oxydants
 Principe de la séparation membranaire

Membrane

Alimentation Perméat

Soluté Solvant
 Classification des procédés membranaires

Transfert de soluté Dialyses

Selon la nature du transfert
Transfert de solvants Solvo-transferts

Selon la nature de la membrane et du type de transport de matière (force de transfert)

Poreuse Différence de concentration

Dense Différence potentiel
ionique Différence de pression

Convection
Chimique Migration
Selon le mode de sélectivité
Diffusion
Physique
 Poreuse Dense Ionique
Diffusion Dialyse Osmose Dialyse ionique
∆C moléculaire
Migration Electro- Electro-osmose Electrodialyse
∆E ultrafiltration
Convection Micro, ultra, Osmose inverse Piézodialyse
∆P nanofiltration et nanofiltration

Dialyse Solvo-transfert
Sélectivité Dialyse ionique, Osmose, Electro-
chimique electrodialyse osmose,
piézodialyse Osmose inverse
Sélectivité Dialyse moléculaire Microfiltration,
physique ultrafiltration

Rq : certaines techniques utilisent simultanément plusieurs forces de transfert

Notre intérêt : Microfiltration (MF)

Ultrafiltration (UF) Techniques mécano-membranaires
Nanofiltration (NF)
Osmose Inverse (OI)
Electrodialyse (ED)
 Situation des techniques de séparations membranaires
en fonction de la taille des particules

Macromolécules organiques

Composés
Algues Colloïdes organiques

Bactéries Virus

Pollens Parasites Sels dissous

µm
100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001
Osmose inverse
Nanofiltration
Ultrafiltration
Microfiltration
Electrodialyse
 Types de membranes
MF UF NF OI

: Matières en suspension : Ions multivalents

: Macromolécules : Ions monovalents : Solvant (eau)

Filtration classique / Filtration tangentielle

Épaisseur du dépôt

Débit de filtration

temps temps
 Schéma de principe de la filtration sur membrane

Alimentation
Q0, C0 Perméat
QP, CP

Concentrat
QC, CC

Bilan de débits : Q0 = QC + QP
Bilan de matière : Q0 C0 = QC CC + QP CP

Taux de rejet (rétention) Taux de conversion Facteur de concentration

C0 - CP CP QP CC
R= = 1− Y= FC = × 100
C0 C0 Q0 C0
 Quelques définitions
Perméat : Fraction de l'eau d'alimentation qui passe à travers la membrane.

Concentrat : Eau d'alimentation qui ne passe pas à travers la membrane.

Flux de perméat (transmembranaire) : Rapport entre le débit d'eau (perméat) et la surface

membranaire (exprimé souvent en litres.h/m²).

Pression transmembranaire (appliquée) : Différence entre la pression moyenne du côté

alimentation/concentrat et celle du côté sortie du perméat.

Pression osmotique transmembranaire : Différence entre la pression osmotique alim./conc.

et la pression osmotique de sortie (perméat).

Pression efficace : Différence entre la pression transmembranaire appliquée et la pression

osmotique transmembranaire (force motrice réelle du transfert de matière).

Perméabilité (hydraulique) : Flux par unité de pression efficace (ou densité de flux). Exprime
la performance de la membrane en terme de pénétration de l'eau, et permet de déterminer et
suivre l'état de colmatage des membranes.

Sélectivité : Capacité de rétention de la membrane. Elle s’exprime en général par le taux de

rejet de l’espèce (NaCl pour l’OI) ou par l’intermédiaire du seuil de coupure (UF) ou le diamètre
de pore (MF) ou la densité de courant (ED)
 Classification des membranes

Nature chimique Diamètre et forme

Organique des pores
Minérale Dense
Macroporeuse
Microporeuse

Application
Dialyse
MEMBRANE Electrodialyse
Osmose inverse
Ultrafiltration…

Mécanismes
Structure de transport
Homogène / Hétérogène Diffusion
Symétrique / Asymétrique Convection
Epaisse / Fine Migration
Plane / fibre creuse Tamisage
Solide / liquide
Ionique / neutre
Membrane d’osmose inverse Membrane d’ultrafiltration

Membrane fibre creuse asymétrique Membrane d’ultrafiltration en polysulfone

 Membranes

Acétate de cellulose Polyamide

 Matériaux membranaires

acétate de cellulose type polyamide

type polysulfone

type acrylique
type fluoré

Il existe de nombreux autres polymères utilisés dans la fabrication des membranes

 Avantages et inconvénients des principaux matériaux membranaires

Acétate de cellulose

Perméabilité élevée Sensibilité à la T°

Sélectivité élevée Sensibilité au pH
Mise en œuvre aisée Sensibilité aux oxydants
Coût faible Sensibilité aux µ-organismes
Faible tendance au colmatage Sensibilité au compactage

polysulfone polyamide
Meilleure stabilité chimique Meilleure stabilité chimique
Meilleure stabilité thermique Meilleure stabilité thermique
Meilleure résistance aux oxydants Meilleure résistance mécanique
Sensible au compactage Faible perméabilité
Sensible au colmatage Forte sensibilité aux oxydants
Sensible au colmatage
fluoré
Meilleure stabilité chimique acrylique
Meilleure stabilité thermique Meilleure stabilité chimique
Faible perméabilité Meilleure stabilité thermique
Utilisable uniquement en MF Faible résistance mécanique
Critères de choix des membranes

Diamètre de pores
(ou masse moléculaire nominale limite)

Distribution des diamètres de pores

Aptitude à l’adsorption

Susceptibilité au colmatage

Durée de vie

Résistance chimique

Résistance thermique

Compatibilité avec les modules

Coût
Module spirale
 Ultrafiltration

Thyon, 1500 m3 par jour Crans-Montana, 10000 m3 par jour,

distillerie
de whisky
 Osmose inverse, Nanofiltration

0,4 à 2m3/j 4,5 à 50 m3/h

Usine de Méry/oise
140 000 m3/j
 Module tubulaire
Eau d’alimentation
Support
Eau douce rigide

Membrane
Eau Membrane tubulaire Saumure tubulaire
saline
Support
Eau douce poreux

Récupération du perméat

Module fibres creuses

Eau d’alimentation Enveloppe

Eau
Concentrat
épurée

Fibre creuse
Module plan, filtre presse
 Comparaison des types de modules

Compacité de l’équipement
Volume mort de l’appareil
Conditions d’écoulement
Choix du type de Conditions d’entretien
Facilité de démontage
module de filtration Résistance à la pression
Sensibilité au colmatage
Type d’application
Coût

Caractéristiques Tubulaire Fibres creuses Plans Spirales

Compacité (m2/m3) 10 à 300 1000 à 20000 100 à 400 300 à 1000
Diamètre hydraulique (mm) 12 à 20 0,1 à 1 1à5 0,8 à 1,2
Remplacement des membranes Tube Module complet feuille cartouche
Sensibilité au colmatage faible élevée Moyenne élevée
Coût élevé élevé élevé faible
Entretien facile difficile moyen difficile
Volume mort élevé faible faible faible
Prétraitement simple très important moyen moyen
 Osmose / osmose inverse / Pression osmotique
Osmose : transfert de solvant à travers une membrane sous l’action d’un gradient
de concentration (flux dirigé de la solution diluée vers la solution concentrée)

Osmose pression osmotique osmose inverse

On considère un solvant (1) et un soluté (2)
RT
Loi de Van’t Hoff : π = − ln(a1) a1, V1 : activité et volume molaire du solvant
V1
Dans le cas des solutions diluées, on peut assimiler activité et fraction molaire, d’où :
RT RT RT RTx2 RTn2
π=− ln(a1) = − ln( x1) = − ln(1 - x2 ) ≈ ≈
V1 V1 V1 V1 V 1n 1
π = CRT C : concentration en soluté (mol/m3) Cas des électrolytes ; i ions : π = iCRT

Par extension à deux compartiments séparés par une membrane : ∆π = ∆CRT

 Pressions osmotiques
Concentration Pression osmotique
sels
% bar
0,5 3,8
(D’après osmonics)
NaCl 1,0 8,6
3,5 28,3
2,0 7,6
π = iCRT
Na2S04 5,0 20,9
10,0 39,1 35.10 3
π =2× × 8,314 × 298
1,0 6,2 58,5
CaCl2
3,5 21,2 π = 29,6 bar
2,0 3,9
CuSO4 5,0 7,9
10,0 15,9

Matières sèches Pression osmotique

Jus de fruits
% bar (D’après Rautenbach)
Betterave 20 34,5

Tomate 33 69,0

10 14,8
citron
45 103,5
 Sélectivité des membranes

Film d’eau d’épaisseur 0,2 à 0,5 nm)

OI NF UF MF
Ø<0,5 nm Ø≈1 nm 1<Ø<100 nm 0,1<Ø<10 µm

Le film d’eau joue un rôle beaucoup plus important pour l’OI et la NF (pour lesquelles il est
question de sélectivité chimique) que pour l’UF et la MF (où on parle de sélectivité physique)

Modèle de solubilisation diffusion (OI, NF) : Sélectivité chimique

Caractère hydrophobe/hydrophile de la membrane
Polarité de l’eau : solvatation des molécules (R  quand solvatation  )
Nature des solutés (ioniques / moléculaires)

Modèle capillaire (UF, MF) : sélectivité physique

Dimension moléculaire des solutés
Dimension des pores de la membrane
 Phénomène d‘accumulation

Formation d’un biofilm Formation d’un gâteau

Modification de flux de perméat

 Polarisation de concentration : théorie du film

membrane
CM
Ecoulement de Convection
l’alimentation J1C0

Co
J1CP

Diffusion
D2 dC/dx
CP
Couche limite
Perméat
Rétentat δ
x

Zone de résistance au
transfert de masse
dC
J1C(x) − D2 = J1CP
dx
 Phénomènes de colmatage
Colmatage : Ensemble des phénomènes qui interviennent dans la modification
des propriétés filtrantes d’une membrane (perméabilité, sélectivité)

En absence de colmatage, le débit volumique de perméat (en m3.s-1.m-2)

∆P − ∆Π
peut de mettre sous la forme : J = A × ( ∆P − ∆Π ) =
Avec µ la viscosité du perméat (Pa.s)
µRM
RM la résistance hydraulique de la membrane (m-1)

Lorsque la membrane se colmate, une résistance supplémentaire RS s’ajoute à RM :

∆P − ∆Π RS = RA + RD + RP
J=
µ(RM + RS )
Adsorption dépôt Polarisation

Adsorption : phénomène de surface (UF, MF)

Colmatage Obstruction de pores : phénomène en profondeur UF, MF)

Dépôt de matière par convection

Dépôt réversible/irréversible, interne/externe, chimique/biologique

 Polarisation de concentration, colmatage
Population

Pas de risque
de colmatage
Flux de perméat

Pores
Membrane Particules
propre
COLMATAGE
Membrane Taille
colmatée Population

Recouvrement : risque
POLARISATION de colmatage

Flux de perméat

Pression
Taille
 Prévention du colmatage

Paramètres de fonctionnements :
Choix de la pression
Choix de la température

Systèmes de fonctionnements :
Procédé continu / discontinu
Procédé à recyclage / sans recyclage
Procédé à pression constante
Procédé à flux de perméat constant

Systèmes de prétraitement :
Filtration pour les MES
Coagulation-floculation pour les matières colloïdales
Oxydation
 Lutte contre le colmatage

Nettoyage par contre-pression

Impulsion à contre courant d’un volume de perméat.

Nettoyage chimique
Utilisation d’une solution de nettoyage à co-courant.

Fréquence de nettoyage
Nature du dépôt
Solution de nettoyage
Nature de la membrane

Type de solution de nettoyage Type de dépôt

Solutions acides Dépôts carbonatés, Hydroxydes

Solutions basiques Dépôts organiques

Détergents Dépôts organiques, protéines

Solutions oxydantes Dépôts biologiques
 Indice de colmatage : fouling index

Caractéristique de l’eau, et non de la membrane

Appareillage : système de filtration sur membrane de 0,45 µm de porosité

Principe : filtration de l’eau sous pression de 2 bars

à t = 0, on note t0 le temps nécessaire pour filtrer un volume de 100 mL

On laisse la filtration se dérouler pendant un temps x

à t = x, on note tx le temps nécessaire pour filtrer un volume de 100 mL

O < FI < 3 : Eau non colmatante

1 - to
FI = tx ⋅ 100
3 < FI < 6 : Eau peu colmatante

x 6 < FI < 20 : Eau très colmatante

Facteurs influençant la rétention et le flux trans-membranaire

Nature et concentration du soluté

Caractéristiques de la membrane (porosité, caractère hydrophobe/hydrophile…)

Polarisation de concentration, degré de colmatage

Pression appliquée (compactage…)

Milieu (pH, force ionique…)

Présence d’autres solutés

Interaction non-spécifiques (adsorption…)

Température
 Comparaison des différentes techniques membranaires

Osmose inverse Nanofiltration Ultrafiltration Microfiltration

Diamètre de pores (nm) < 0,5 ≈1 1 à 100 102 à 104

Espèces retenues sels Petites molécules Macromolécules Particules

(PM> 300 g/mol) colloïdes colloïdes
Mécanisme de transfert Solubilisation- Solubilisation- capillaire capillaire
diffusion diffusion+capillaire
Rôle de la pression Important Moyen faible négligeable
osmotique
Pression appliquée (bar) 30 à 80 10 à 40 2 à 10 0,2 à 2

Perméabilité (L.h-1.m-2.bar-1) 0,5 à 1,5 2,5 à 5 50 à 100 300 à 1500

Débits volumiques (L.h-1.m-2) 10 à 60 50 à 100 50 à 500 150 à 1500

Procédés concurrents Evaporation,Electro Echange d’ions Précipitation Centrifugation

-dialyse, Echange Chromatographie chimique Filtration
d’ions Dialyse
 Avantages et inconvénients des techniques membranaires
Avantages Inconvénients

Opération à T° ambiante
Colmatage des membranes

Pas de réactifs chimiques
Sélectivité imparfaite

Pas de changement de phase
Durée de vie des membranes limitée

Procédés continus
Nécessité de débits élevés

Automatisation facile
consommation d’énergie

De la théorie à la pratique
Chimie des solutions concentrées

Essais de faisabilité Conformation moléculaire
Déformation moléculaire
J
Interactions soluté-soluté

Essais pilote
Interactions matériau-soluté
Interactions matériau solvant
∆P

membrane
Efficacité des membranes d’osmose inverse vis à vis des ions
(d’après osmonics)
Pourcentage Pourcentage de Pourcentage Pourcentage
Nom Nom
de rétention passage de rétention de passage
Sodium Na+ 95-97 4
Chlorure Cl- 95-97 4
Calcium Ca2+ 96-98 3
Bicarbonate HCO3- 95-96 4
Magnésium Mg2+ 96-98 3
Sulfate SO42- 99+ 1
Potassium K+ 95-97 4
Nitrate NO3- 93-96 6
Fer Fe2+ 98-99 2
Manganèse Mn2+ 98-99 2 Fluorure F- 94-96 5

Aluminium Al3+ 99+ 1 Silicate SiO22- 95-97 4

Ammonium NH4+ 88-95 8 Phosphate PO43- 99+ 1

Cuivre Cu2+ 98-99 1 Bromure Br- 94-96 5
Nickel Ni2+ 98-99 1
Borate B4O72- 35-70 * -
Zinc Zn2+ 98-99 1
Chromate CrO42- 90-98 6
Strontium Sr2+ 96-99 3
Cyanure CN- 90-95 * -
Dureté Ca2+ et Mg2+ 96-98 3
Sulfite SO32- 98-99 1
Cadmium Cd2+ 96-98 3
Argent Ag+ 94-96 5 Thiosulfate S2O32- 99+ 1

Mercure Hg2+ 96-98 3 Ferrocyanure Fe(CN)63- 99+ 1

 Eau produite

Eau
brute

Montage série rejet en vue d’obtenir Rejet

un taux de conversion élevé

Rejet

Montage série production en vue

Eau d’obtenir un taux de rejet élevé
brute
2ème étage

1er étage

Eau
Produite
Place des procédés membranaires dans une chaîne de potabilisation
Eau brute

Pré-oxydation

Coagulation-floculation
Microfiltration
Clarification
Ultrafiltration
Décantation

Filtration sur sable

Inter-oxydation

Traitement
Filtration CAG Nanofiltration
De finition

Post-oxydation

Mise à l’équilibre

Désinfection
 Application des procédés membranaires

Récupération des métaux Élimination micropolluants organiques

Production eau ultra-pure Eau potable Élimination des particules

Industries
Traitement de surface Dessalement Adoucissement
diverses
Effluents industriels Saumure Déminéralisation

MF UF
NF OI
Filière œnologique
Industrie
Lactosérum Industrie
Pharmaceutique Sérums
Recyclage des protéines agro-alimentaire
Biotechnologie Principes actifs
Effluents agro-alimentaires

Concentration de jus de fruits antibiotiques

 Electrodialyse
Transfert d’ions à travers une membrane sous l’effet d’un champ électrique

Membrane échangeuse d'ions (ou permsélective)

Film polymère d'épaisseur 0,1-0,3 mm, greffé de groupements fonctionnels

Membrane Cationique
- échangeuse de cations
- groupements (sites) fonctionnels chargés -

Membrane Anionique
- échangeuse d'anions
- groupements (sites) fonctionnels chargés +

Membrane bipolaire
- 1 face cationique, 1 face anionique
- catalyseur de protolyse de l’eau dans la jonction

Membrane bicouches
Membranes amphotères
Membranes mosaïques
 Principe de l’éléctrodialyse

MC Force de transfert : différence de

+ - potentiel électrique imposée par
deux électrodes

A-
Cathode : électrode vers
laquelle migrent les cations
-
C+ C+ C+
Anode : électrode vers
- laquelle migrent les anions
A-

Anode Cathode Perméabilité sélective élevée

Résistance électrique faible

Le contre-ion traverse Le co-ion ne traverse Grande stabilité chimique

la membrane pas la membrane
Grande stabilité mécanique
Principe de dessalement d'une eau saline par électrodialyse

MC : Membrane Cationique - MA : Membrane Anionique

 Traitements biologiques

Utiliser les bactéries présentes dans les eaux usées pour éliminer les
substances biodégradables (matières organiques, azote…)

Bilan : Eau + Pollution organique + O2 + micro-organismes

micro-organismes en excès + CO2, H20…

À culture fixe
Biofiltres
Lit bactérien
Filtres plantés de roseaux
À culture libre
Boues activées
Lagunage naturel
 Principe du procédé à biofiltre

Ce traitement consiste à faire transiter les eaux usées dans une cuve contenant un matériau filtrant
immergé, support du développement d'un film biologique.

Les besoins en oxygène sont assurés par insufflation d'air (air procédé).
Plusieurs fois par jour, un lavage à l'eau traitée (eau de lavage) et à l'air (air de lavage) est
nécessaire.
Les eaux sales retournent en tête de traitement afin que les boues biologiques soient piégées dans
le décanteur primaire (ou bien un traitement primaire physico-chimique).
Avantages
•adapté pour les collectivités de taille moyenne à importante;
•bonne élimination des MES;
•très peu de pertes pour les boues produites;
•compacité de l'installation et faible emprise au sol. Cela offre une facilité de
couverture et donc de désodorisation et par là une meilleure intégration dans
l'environnement
•facilité d'automatisation.

Inconvénients
•peu adapté aux effluents concentrés : nécessité d'une pré-épuration ou de
prétraitements poussés (tamisage) ;
•coûts d'exploitation élevés (énergie) ;
•coûts d'investissement élevés ;
•sensible aux brusques variations de charge hydraulique ;
•sensible au colmatage ;
•production de boues diluées ;
•consommation importante d'eau traitée au lavage.

Contraintes d'exploitation
•présence quasi permanente de l'exploitation ;
•très haute technicité requise pour l'exploitant (automatisme) : bonne gestion
technique des cycles de lavage et de l'étape de traitement primaire ;
•consommation énergétique très importante ;
•extraction très régulière des boues.
 Principe du procédé à lit bactérien

Ce procédé consiste à alimenter en eau, préalablement décantée, un ouvrage contenant une

masse de matériaux (pouzzolane ou plastique) servant de support aux micro-organismes
épurateurs .
L'aération naturelle se fait grâce à des ouïes d'aération.
En sortie du lit bactérien se trouvent un mélange d'eau traitée et de biofilm. Ce dernier sera
piégé dans le décanteur sous forme de boues et l'eau traitée rejoint le milieu naturel.
La recirculation des boues vers le décanteur digesteur est essentielle.
Avantages

•généralement adapté pour des collectivités de taille inférieure à 10 000 EH ;

•faible consommation d'énergie ;
•fonctionnement simple demandant peu d'entretien et de contrôle (pas de lavage);
•bonne décantabilité des boues ;
•plus faible sensibilité aux variations de charge et aux toxiques que les boues activées.

Inconvénients

•performances généralement plus faibles qu'une technique par boues activées, coûts
d'investissement assez élevés ;
•nécessité de prétraitements efficaces ;
•sensibilité au colmatage et au froid ;
•source de développement d'insectes (en cas de conception et/ou d'exploitation défectueuse) ;
•boues fermentescibles ;
•ouvrages de taille importante si des objectifs d'élimination de l'azote sont imposés.

Contraintes d'exploitation

•passage de l'exploitant au moins deux à trois fois par semaine ;

•faible technicité requise pour l'exploitant
•faible consommation énergétique ;
•extraction des boues du décanteur-digesteur une à deux fois par an.
Lit bactérien
 Principe du procédé par filtres plantés de roseaux

Principe de fonctionnement
Il s'agit d'un procédé biologique à cultures fixées au travers de massifs filtrants colonisés
par des bactéries qui assurent les processus épuratoires.

Ils peuvent être alimentés directement avec des eaux usées brutes sans décantation
préalable et après un simple dégrillage.

Les filtres sont toujours étanchéifiés et drainés

Avantages
•adapté aux petites collectivités ;
•pas de gestion contraignante des boues primaires ;
•exploitation simple et peu contraignante en durée et complexité ;
•bien adapté au fonctionnement estival saisonnier ;
•rusticité du procédé : pas d'obligation de raccordement électrique si le dénivelé est suffisant ;
•bonne qualité de l'eau traitée par rapport au lagunage ;
•emprise au sol limitée par rapport au lagunage ;
•faibles contraintes et coûts d'exploitation.

Inconvénients
•nécessité d'un dessableur en tête sur réseau unitaire ;
•peu de recul en 1995 sur les expériences récentes (colmatage par les boues primaires ?) ;
•faucardage annuel ;

Contraintes d'exploitation
•régularité de l'alternance de l'alimentation (12 fois/semaine) ;
•passage de l'exploitant une à deux fois par semaine ;
•très faible technicité requise pour l'exploitant ;
•très faible consommation énergétique, elle peut même être nulle si la topographie du terrain
le permet ;
•faucardage des roseaux tous les ans (hiver).
 Principe du procédé à boues activées

Après prétraitements, les eaux usées sont dirigées vers un bassin d'aération où elles sont
mises en contact avec une biomasse responsable de l'épuration. Dans ce réacteur, la
pollution dissoute est transformée en flocon de boues par assimilation bactérienne. Les flocs
peuvent alors être séparés de l'eau traitée par décantation.
La boue décantée est recirculée afin de permettre le réensemencement du bassin d'aération.
Périodiquement, les boues en excès sont extraites pour rejoindre le traitement des boues.
Dans le bassin d'aération, la fourniture en oxygène est assurée par des organes
électromécaniques : aérateurs de surface (turbine ou brosse), ou insufflation d'air (surpresseur
+ diffuseurs immergés).
L'installation d'un brasseur dans le bassin d'aération autorise en permanence un bon contact
entre les bactéries et la pollution à éliminer.
Avantages
•pour toute taille de collectivité (sauf les très petites)
•bonne élimination de l'ensemble des paramètres de pollution (MES, DCO, DBO5, N
par nitrification et dénitrification)
•adapté pour la protection de milieux récepteurs sensibles
•boues légèrement stabilisées
•facilité de mise en œuvre d'une déphosphatation simultanée.

Inconvénients
•coût d'investissement assez important
•consommation énergétique importante
•nécessité de personnel qualifié et d'une surveillance régulière
•sensibilité aux surcharges hydrauliques
•décantabilité des boues pas toujours aisée à maîtriser.

Contraintes d'exploitation
•passage de l'exploitant au moins une à trois fois par semaine
•bonne technicité requise pour l'exploitant: bonne maîtrise des réglages de l'aération,
de la recirculation et de l'extraction des boues
•consommation énergétique importante
•extraction des boues fréquente au moins une fois par semaine (voire tous les jours
ouvrables).
Bassin d’aération
Bassin d’aération vide
Bassin d’aération
Principe du procédé par lagunage
Principe de fonctionnement

Phénomène naturel, l'épuration par lagunage est réalisée grâce à un équilibre biologique,
auquel participent des bactéries, du zooplancton, des algues et éventuellement des roseaux.
Les matières en suspension de l'eau brute décantent dans le bassin de tête.

Les bactéries assimilent la pollution dissoute, et l'oxygène nécessaire à cette dépollution est
fourni par les algues (photosynthèse). Le zooplancton consomme les algues.
L'ensemble de ces phénomènes apparaît dans deux ou trois bassins en série, ce qui
autorise l'étagement des phénomènes épuratoires.

Le lagunage naturel peut être utilisé en traitement complet des effluents ou en traitement
tertiaire pour affiner la qualité de l'eau traitée par une boue activée

Avantages
• généralement pour des petites stations de taille inférieure à 2000 EH ;
• coûts d'investissement limités (en absence de forte contrainte d'étanchéification) ;
• faibles coûts d'exploitation ;
• bonne intégration dans l'environnement ;
• bonne élimination des pathogènes ;
• boues peu fermentescibles ;
• raccordement électrique inutile ;
• bonne élimination de l'azote (70 %) et du phosphore (60 %).
Inconvénients

•emprise au sol importante ;

•contraintes de nature de sol et d'étanchéité ;
•variation saisonnière de la qualité de l'eau traitée ;
•nuisances en cas de défaut de conception et/ou d'exploitation (rongeurs, odeurs,
moustiques) ;
•élimination de l'azote et du phosphore incomplète ;
•difficultés d'extraction des boues ;
•taille > 100 EH ;
•pas de réglage possible en exploitation ;
•sensibilité aux effluents septiques et concentrés.

Contraintes d'exploitation

•passage de l'exploitant une à deux fois par semaine ;

•très faible technicité requise pour l'exploitant ;
•très faible consommation énergétique (voire nulle) ;
•curage contraignant et coûteux des boues tous les 1 à 5 ans dans le bassin de tête,
tous les 10 à 20 ans dans tous les bassins ;
•faucardage des roseaux tous les ans (hiver), s'ils sont présents.
lagunage
Rampe d’aération dans une lagune
 Les boues d’épuration : typologie

•Les boues primaires

Les boues primaires sont les dépôts récupérés par simple décantation des eaux usées. Elles
sont à la fois riches en matières minérales (microsables, terre, etc.) et contiennent des
matières organiques susceptibles d'évolution.

•Les boues physico-chimiques

On obtient les boues physico-chimiques, variante des boues primaires, par adjonction de
réactifs (sels de fer, d'aluminium) pour agglomérer les fines particules dans les eaux usées.

•Les boues biologiques

Les boues biologiques (encore appelées boues secondaires) sont les boues issues du
traitement biologique que ce soit en culture libre (boues activées) ou en culture fixée (lits
bactériens, disques biologiques, etc.). Elles sont donc constituées essentiellement de corps
bactériens et de leurs sécrétions.
Parallèlement, on distingue :
•les boues mixtes, mélange de boues secondaires et de boues primaires, qui sont issues
de la quasi totalité des filières de traitement complètes.
•les boues d'aération prolongée, variante des boues mixtes. Dans ce procédé, comme
d'ailleurs en lagunage naturel et aéré, le traitement n'inclut pas d'étage de décantation
primaire. L'ensemble des matières polluantes est donc soumis à l'aération.
 Les filières d'élimination des boues

• L'utilisation en agriculture

C'est sans doute la meilleure solution, les composés tels que le carbone, l'azote, le
phosphore, le potassium étant ainsi recyclés et valorisés par la végétation en place

Cette filière impose de rechercher et de se mettre d'accord avec des partenaires

(agriculteurs) et leur proposer un produit intéressant et de qualité, c'est-à-dire :
• stable : de composition constante, sans odeurs ;
• riche en éléments fertilisants (boues concentrées) ;
• dépourvu d'éléments indésirables tels que métaux lourds, parasites,etc.
• disponible selon les besoins (nécessité de stockage) ;
• facile à utiliser (matériel adéquate pour le transport, le stockage, la reprise et
l'épandage) ;
• rentable, par comparaison à l'utilisation d'engrais minéraux du commerce. Cet
aspect économique conditionne la répartition des tâches (stockage, reprise,
transport, épandage, analyses, etc.) et de leur financement entre producteurs et
utilisateurs.

Pour une valorisation agricole, les boues doivent être stabilisées, épaissies et dans
certaines situations déshydratées, voire compostées.
• L'incinération

• L'incinération aboutit à la destruction par combustion à haute température (+ de

500°C) de la matière organique, sous forme de fumée s. L'eau s'évacue dans
l'atmosphère à l'état de vapeur d'eau. Il reste les matières minérales (cendres) et
éventuellement les résidus du lavage des fumées qu'il convient d'évacuer en
décharge contrôlée.

• Pour des raisons techniques et économiques, l'incinération est surtout

envisageable pour :

• des grosses quantités de boues ;

• des boues autocombustibles qui libèrent en brûlant la chaleur nécessaire au

maintien du four en température. Les boues sont autocombustibles si elles sont
riches en matières organiques et pauvres en humidité.

Pour être incinérées, les boues doivent être fraîches : déshydratées mais non
stabilisées.
• La mise en décharge contrôlée

Elle consiste à enfouir les boues souvent mélangées avec les ordures ménagères selon les
principales conditions suivantes : site étanche, compactage des résidus, récupération et
traitement des jus de décharges (lixiviats), etc.

Afin d'éviter toute nuisance au niveau du stockage, les boues doivent être débarrassées des
matières organiques fermentescibles.

De plus, pour réduire la production de lixiviats, et éviter une rapide saturation de la décharge,
ne sont généralement acceptées que les boues peu humides (humidité maximale de 70 %). La
mise en décharge étant facturée à la tonne, il est de toute façon préférable de réduire
l'humidité pour réduire les coûts d'élimination.
La mise en décharge contrôlée de la boue nécessite des opérations préliminaires de
stabilisation et de déshydratation poussée.

Cette solution va progressivement perdre de son intérêt pour des raisons financières : la
limitation de la mise en décharge aux seuls déchets ultimes (non valorisables) à partir de 2002
va nécessiter, dans le cas des boues, une incinération préalable pour ne déposer que des
cendres. Le coût global de cette filière va donc augmenter sensiblement.
 Traitement des boues
Epaississement des boues :

- produire une boue plus concentrée en matières sèches,

- évacuer une eau claire peu chargée en pollution, recyclable en tête de station

Décantation, flottation

Stabilisation des boues :

- limiter la fermentation ultérieure des boues, susceptible de produire des odeurs et

d'altérer leur composition

Stabilisation aérobie, anaérobie, chimique

Deshydratation des boues :

- réduire l’humidité des boues

Selon l'efficacité de la déshydratation, on obtient des boues pâteuses, des boues solides ou
des boues sèches.
égouttage, filtration, centrifugation…